CN105588667A - 一种高精密热敏电阻温度计校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热敏电阻，属于热敏电阻检测领域。一种高精密热敏电阻温度计校准装置，包括待校准的高精密热敏电阻温度计、标准器、测温电桥和恒温槽，其特征在于：在恒温槽内放置待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器，分别连接至同一个测温电桥，所述测温电桥得到两组温度数据，并将温度数据传送至数据拟合系统进行数据拟合，从而对所述待校准的高精密热敏电阻温度计进行校准；所述标准器采用标准铂电阻温度计，所述数据拟合系统包括数据导入模块、数据拟合模块、拟合结果和误差精度计算与分析模块，所述数据拟合模块包括数据拟合算法选择子模块，连接对应的算法子模块。本发明确定了校验装置数据非线性拟合的方法，并能对拟合效果进行验证。

Description

一种高精密热敏电阻温度计校准装置

技术领域

本发明涉及热敏电阻温度计，尤其涉及一种高精密热敏电阻温度计校准装置。

背景技术

热敏电阻自1940年研制成功以来，发展非常迅速,由于其具有灵敏度高、体积小、结构简单以及响应时间短等优点，使得其由最初作为通信仪器的温度补偿及自动放大调节装置，演变为广泛应用于家电、汽车及生物医药等各领域的温度传感器。目前国内外航天器上用于飞行试验的温度传感器主要采用热敏电阻。在大部分对数放大器的电路中也采用热敏电阻温度计对其温度进行补偿。

负温度系数热敏电阻以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料,采用陶瓷工艺制造而成,温度低时,氧化物材料的载流子数目少,电阻值较高；随着温度的升高,载流子数目增加,电阻值降低。

热敏电阻的优点:一、是灵敏度较高；二、是工作温度范围宽,高温器件适用温度高于315℃(最高可达2000℃)，低温器件适用于-273℃～55℃；三、是体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度(目前大都数字体温计均采用热敏电阻温度计的为测温探头)；四、是使用方便,电阻值可在0.1kΩ～100kΩ间任意选择；五、是易加工成复杂的形状,可大批量生产；六是稳定性好,过载能力强。主要缺点是热电特性非线性现象严重,使用时必须进行线性补偿。

高精密热敏电阻温度计具有优异的准确度及稳定性。其最大允许误差优于±0.01℃，标准级热敏电阻温度计最大允许误差为±0.001℃，可溯源至NIST的校准报告，价格却低于SPRT(标准铂电阻温度计)，在(0～100)℃温度范围内具有很高的性价比。因此，高精密热敏电阻温度计的使用越来越广泛,在生物、遗传、病毒、水产、环保、医药、卫生、生化实验室、分析室、教育科研的必备工具之一。

然而，国内虽已有《JJF1170-2007》负温度系数低温电阻温度计校准规范，但该规范适用的范围为1.2K～271.1K的低温锗电阻温度计、低温氧化物热敏电阻温度计和低温渗碳玻璃电阻温度计，并没有(0～100)℃高精密热敏电阻温度计的计量规范和校准方法。

因此，现在无法对热敏电阻温度计单独进行标定，无法标定的原因除了国家还未制定出相应的校准规范之外，还有以下几点原因：

1.没有对热敏电阻温度计测量数据进行有效的拟合的方法。

2.根据生产商家给出的拟合公式，没有方法验证其拟合精度。

由于热敏电阻使用时都经过线性补偿,如果无法拟合，则根本无法验证和校准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精密热敏电阻温度计校准装置，解决现在没有有效的测量数据的拟合方法，无法验证拟合精度，造成的无法进行校准的缺陷。

技术方案

一种高精密热敏电阻温度计校准装置，包括待校准的高精密热敏电阻温度计、标准器、测温电桥和恒温槽，其特征在于：在恒温槽内放置待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器，所述待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器分别连接至同一个测温电桥，所述测温电桥得到从所述待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器传送来的两组温度数据，并将温度数据传送至数据拟合系统进行数据拟合，从而对所述待校准的高精密热敏电阻温度计进行校准；所述标准器采用标准铂电阻温度计，所述恒温槽采用恒温水槽，所述数据拟合系统包括数据导入模块、数据拟合模块、拟合结果和误差精度计算与分析模块，所述数据拟合模块包括数据拟合算法选择子模块，连接对应的算法子模块。

进一步，所述数据拟合算法选择子模块包括算法选择部分和校准点选择部分。

进一步，所述数据拟合算法选择子模块的算法选择部分包括Steinhart-Hart方程选择，多项式最小二乘法选择和切比雪夫多项式法选择，校准点选择部分包括参与拟合的数据的校准点分段选择和校准点位置选择。

进一步，所述算法选择部分的Steinhart-Hart方程选择，在校准点选择部分选择分多段拟合，校准点位置选择每段的最低温度、中间温度和最高温度。

所述算法选择部分的切比雪夫多项式法选择，在校准点选择部分选择分两段或分三段拟合。

进一步，所述拟合结果和误差精度计算与分析模块通过下列公式进行计算：

其中：T_std是校准数据拟合的标准偏差，按温度表示；T_Ci是校准点数据拟合后得出的温度值；T_Ei是校准点实测的温度值；m是参加拟合的校准点数；n是拟合的方次。

进一步，所述拟合的方次不超过校准点数的一半。

进一步，所述拟合的方次采用4次方。

进一步，所述标准器采用一等标准铂电阻温度计，扩展不确定度：U＝5mK(k＝2)；所述测温电桥相对误差为1×10^-6％，所述恒温水槽的均匀度为5mK,波动度为5mK。

进一步，所述恒温水槽作为校准用恒温装置，在恒温水槽中放置有等温块，当温度波动度小于允许值后稳定5分钟，开始进行温度计测量，若温度计测量未结束，温度波动超出允许值，等待温度稳定后再重新开始测量。

有益效果

本发明的高精密热敏电阻温度计校准装置增加了温度数据拟合系统，可以选取采用不同的拟合方法对得到的温度数据进行拟合，比较拟合精度，得到最准确的拟合结果，从而实现对热敏电阻温度计的精确校准；并且在实际校准过程中，可以根据不同的拟合方式进行多种校准点和分段拟合，进行拟合精度验证；本发明的校准装置还填补了我国在(0～100)℃区间内高精密热敏电阻温度计校准方法和校准装置研究的空白，确定数据非线性拟合的方法，并能对拟合效果进行验证，通过不确定度评定验证整个校验过程，能为研究热敏电阻温度计的阻温特性提供帮助。

附图说明

图1为本发明的装置连接示意图。

图2为本发明的数据拟合系统的具体流程图。

其中：1-恒温槽，2-待校准的高精密热敏电阻温度计，3-标准器，4-测温电桥，5-数据拟合系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

作为温度测量三大传感器热电偶、热电阻、及热敏电阻，对热敏电阻的校验方法研究还很少。

本发明提出一种高精密热敏电阻温度计校准装置，填补了我国(0～100)℃区间内高精密热敏电阻温度计校准方法和校准装置研究的空白，确定数据非线性拟合的方法，并对拟合效果进行验证，通过不确定度评定验证整个校验过程，为研究普通热敏电阻温度计阻温特性及校准方法提供理论依据和装置实现。

如附图1所示，本发明的高精密热敏电阻温度计校准装置包括待校准的高精密热敏电阻温度计2、标准器3、测温电桥4和恒温槽1，在恒温槽1内放置待校准的高精密热敏电阻温度计2和标准器3，所述待校准的高精密热敏电阻温度计2和标准器3分别连接至同一个测温电桥4，所述测温电桥4得到从所述待校准的高精密热敏电阻温度计2和标准器3传送来的两组温度数据，并将温度数据传送至数据拟合系统5进行数据拟合，从而对所述待校准的高精密热敏电阻温度计2进行校准；所述标准器3采用标准铂电阻温度计，所述恒温槽1采用恒温水槽，所述数据拟合系统5包括数据导入模块、数据拟合模块、拟合结果和误差精度计算与分析模块，所述数据拟合模块包括数据拟合算法选择子模块，连接对应的算法子模块，所述数据拟合算法选择子模块包括算法选择部分和校准点选择部分。

标准器3选择标准铂电阻温度计，扩展不确定度：U＝5mK(k＝2)，测温电桥4选择FLUKE1590，测温电桥相对误差为1×10^-6％，输出电流可在0.001mA至15mA，范围(0～100)Ω，使用恒温水槽作为校准用恒温装置，均匀度5mK,波动度5mK。

在恒温水槽中放置等温块，当温度波动度小于允许值后稳定5分钟，开始温度测量，若温度计测量未结束，温度波动超出允许值，则需等待温度稳定后再重新开始测量。

被校准的高精密热敏电阻温度计2的测量由测温电桥4完成，按照如下的顺序测量：

标准-被检-被检-标准的顺序取四遍测量结果的平均值为被测温度计在该温度点的阻值。

理论上高精密热敏电阻的特性曲线方程是负指数方程，但在实际中使用该方程所带来的非线性误差较大。因此，通常选择更好的算法方程来对电阻的特性曲线进行拟合。本发明的数据拟合算法选择子模块的算法选择部分包括Steinhart-Hart方程选择，多项式最小二乘法选择和切比雪夫多项式法选择，校准点选择部分包括参与拟合的数据的校准点分段选择和校准点位置选择。

Steinhart-Hart方程是较为通用的拟合方程，该方程形式较为简单，通过三点法可以得到方程的三个系数，计算较为简便；而采用多项式最小二乘法进行拟合则可以获得较高的拟合精度，采用切比雪夫多项式进行拟合则可以从理论上以任意精度逼近，但需要人为确定拟合方次并设法避免过度拟合的情况，计算较为复杂。

通过Steinhart-Hart方程，多项式最小二乘法拟合及切比雪夫多项式最小二乘法拟合这三种算法对温度数据进行曲线拟合，计算出拟合标准偏差，可在整个被校温度计的使用温区进行数据拟合，当在整个使用温区上拟合偏差较大时，也可以将整个使用温区分成二个至三个温度进行拟合。拟合后计算出校准数据拟合的标准偏差，和拟合残差绝对值的平均值，得到拟合的精度。

数据拟合后，根据拟合的温度数据就可以计算出被校准的高精密热敏电阻温度计的不确定度，对温度计进行校准。

具体的上述三种拟合方法的算法公式为：

1.Steinhart-Hart方程

Steinhart-Hart方程由海洋学家Steinhart和Hart推导得出的R－T特性模型，方程为：

式中，A,B,C为方程参数，T为温度，R为热敏电阻的阻值。在待测量范围内测量出覆盖该范围的三个标定数据，设最低温度、中间温度和最高温度分别为T_L、T_M、和T_H，对应的热敏电阻的阻值分别为R_L、R_M、和R_H，温度的单位为K(开尔文)，电阻单位为Ω(欧姆)。

已知Rx，该电阻值对应的温度Tx(K)为

上式为Steinhart-Hart方程模型所描述的NTC热敏电阻特性曲线，根据所测的三点温度，系数a，b，c由以下算式求得：

实际中根据标定实验所取的数据，取出三点代入上式即可得出特性曲线方程。三点法的优点是实现简单，缺点是误差较大，采用分段求解的方法可以提高精密度。

2.多项式最小二乘拟合法

利用Steinhart-Hart方程三点拟合法求解方程系数，方法简单易行.对于精度要求更高的场所，则可以采用最小二乘法进行多项式回归.具体公式如下：

令x＝ln(R)，y＝A+Bx+Cx²+Dx³

为了解出方程系数，将所测得的R、T代入上式，得到矩阵：

对矩阵采用最小二乘法结出最优系数

令

V_x＝[V₁V₂..V_n]

Y＝[y₁y₂..y_n]

M＝[ABCD]

其中Vx是拟合误差，Y为实测温度向量，M为系数向量，D为公式对应的多项式矩阵，由矩阵式得：

V_x＝DM-Y

最小二乘法使Vx最小，即在向量空间Rn上寻求Y在平面D上的投影时的M，计算公式为:

D'DM＝D'Y

写成矩阵形式为：

解方程即可得系数。

3.切比雪夫多项式拟合法

用于拟合的切比雪夫多项式的公式为：

式中a_i为待求解的系数，第i项切比雪夫多项式可以化为最高次数为i的关于x的多项式。首先需要对输入变量进行归一化，电阻值的归一化方程为x＝AlnR+B，其中，A和B为归一化常数，n为拟合方次。

类似的按照最小二乘拟合即可得到方程系数。可以在整个被校温度计的使用温区上做数据拟合，当整个使用温区上拟合偏差较大时，可以将整个使用温区分成二个至三个温区进行拟合。

数据拟合后，可以采用拟合结果和误差精度计算与分析模块对拟合的数据进行计算和分析。通过下列的公式计算出校准数据拟合的标准偏差：

式中，T_std是校准数据拟合的标准偏差，按温度表示；T_Ci是校准点数据拟合后得出的温度值；T_Ei是校准点实测的温度值；m是参加拟合的校准点数；n是拟合的方次。

温度拟合残差绝对值的平均值按如下方程计算：

式中：E_i是校准方程拟合残差，m是拟合用数据数，拟合残差绝对值的平均值|E|_ave越小，表明校准方程的精度越高。其中，E_i是校准方程的温度拟合残差；y_i是实测温度值；是拟合温度值。

以四根不同规格的高精密热敏电阻温度计为被检对象进行实验，采用本发明提出的装置进行拟合和校准，校准温度间隔1℃，以该被检对象的校准数据来比较数据拟合方法及校准点的具体温度点和校准点的数量对拟合精度的影响。通过对拟合温度点的再校准确定校准方法和校准装置的影响因素，如恒温块的影响，读数间隔与次数，等温时间，校准数据的表达等。

编号为3518，3519，5231，5235的四根温度计采用本装置拟合的数据拟合后的分析如下表：

表1使用Steinhart-Hart方程拟合数据

表2使用多项式最小二乘拟合数据

表3使用切比雪夫多项式拟合数据

由上三表可见，使用切比雪夫多项式拟合数据得到会得到更好的拟合数据偏差，及平均残差绝对值。

根据测温范围选择多个标定温度点,以实现最佳拟合基本覆盖整个温度传感器的工作范围。为提高拟合精度，需在R-T曲线拐点处多选几点进行拟合。

下表为选择多个设定的校准标定温度点的拟合数据：

表4拟合既定拟合温度点数据

在某个温区做拟合计算时，随着拟合方次的增加，拟合标准偏差明显减小，但拟合方次达到某一方次后，再增加拟合方次，拟合和标准偏差不再有明显的减小。下表为编号为3518和5231的拟合方次实验数据：

表53518不同拟合方次数据表

表65231不同拟合方次数据表

由此可以看出，拟合方次并不是越多越好，一般不超过校准点数的一半，以4次方为最佳。

本发明的数据拟合系统的使用步骤为：

(1)数据导入模块导入实际测量的热敏电阻温度和阻值数据；

(2)启动数据拟合模块，在数据拟合算法选择子模块的算法选择部分选择拟合算法；

(3)根据Steinhart-Hart方程，三点法进行拟合并计算相应的系数和对应误差；

(3)和/或根据多项式最小二乘法进行拟合并计算相应的系数和对应误差；

(4)和/或根据切比雪夫(Chebyshev)多项式进行拟合并计算相应的系数和对应误差，并能选择拟合阶数；

(5)可以在数据拟合算法选择子模块的校准点选择部分设置起始和结束点进行分段拟合；

(6)或在校准点选择部分选定部分校准点进行设定点拟合；

(7)拟合结果和误差精度计算与分析模块计算拟合结果，绘制拟合曲线，实际测量值曲线和误差曲线；

(8)并导出拟合数据和误差数据到文件，拟合后根据给定的温度值计算出对应的阻值；

(9)可以按0.01℃间隔导出分度表文件。

具体流程图见附图2示意。

本发明的高精密热敏电阻温度计校准装置增加了温度数据拟合系统，可以选取采用不同的拟合方法对得到的温度数据进行拟合，比较拟合精度，得到最准确的拟合结果，从而实现对热敏电阻温度计的精确校准；并且在实际校准过程中，可以根据不同的拟合方式进行多种校准点和分段拟合，进行拟合精度验证；本发明的校准装置还填补了我国在(0～100)℃区间内高精密热敏电阻温度计校准方法和校准装置研究的空白，确定数据非线性拟合的方法，并能对拟合效果进行验证，通过不确定度评定验证整个校验过程，能为研究热敏电阻温度计的阻温特性提供帮助。

Claims (10)

1.一种高精密热敏电阻温度计校准装置，包括待校准的高精密热敏电阻温度计、标准器、测温电桥和恒温槽，其特征在于：在恒温槽内放置待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器，所述待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器分别连接至同一个测温电桥，所述测温电桥得到从所述待校准的高精密热敏电阻温度计和标准器传送来的两组温度数据，并将温度数据传送至数据拟合系统进行数据拟合，从而对所述待校准的高精密热敏电阻温度计进行校准；所述标准器采用标准铂电阻温度计，所述恒温槽采用恒温水槽，所述数据拟合系统包括数据导入模块、数据拟合模块、拟合结果和误差精度计算与分析模块，所述数据拟合模块包括数据拟合算法选择子模块，连接对应的算法子模块。

2.如权利要求1所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述数据拟合算法选择子模块包括算法选择部分和校准点选择部分。

3.如权利要求2所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述数据拟合算法选择子模块的算法选择部分包括Steinhart-Hart方程选择，多项式最小二乘法选择和切比雪夫多项式法选择，校准点选择部分包括参与拟合的数据的校准点分段选择和校准点位置选择。

4.如权利要求3所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述算法选择部分的Steinhart-Hart方程选择，在校准点选择部分选择分多段拟合，校准点位置选择每段的最低温度、中间温度和最高温度。

5.如权利要求3所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述算法选择部分的切比雪夫多项式法选择，在校准点选择部分选择分两段或分三段拟合。

6.如权利要求1所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述拟合结果和误差精度计算与分析模块通过下列公式进行计算：

$T_{std}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{({T_i}_{Ci}-{\stackrel{\‾}{T}}_{Ei})}^2}{m-n-1}}$

其中：T_std是校准数据拟合的标准偏差，按温度表示；T_Ci是校准点数据拟合后得出的温度值；T_Ei是校准点实测的温度值；m是参加拟合的校准点数；n是拟合的方次。

7.如权利要求6所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述拟合的方次不超过校准点数的一半。

8.如权利要求7所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述拟合的方次采用4次方。

9.如权利要求1所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述标准器采用一等标准铂电阻温度计，扩展不确定度：U＝5mK(k＝2)；所述测温电桥相对误差为1×10^-6％，所述恒温水槽的均匀度为5mK,波动度为5mK。

10.如权利要求9所述的高精密热敏电阻温度计校准装置，其特征在于：所述恒温水槽作为校准用恒温装置，在恒温水槽中放置有等温块，当温度波动度小于允许值后稳定5分钟，开始进行温度计测量，若温度计测量未结束，温度波动超出允许值，等待温度稳定后再重新开始测量。